[Java] 멀티스레딩 및 동시성

멀티스레딩과 동시성 프로그래밍

현대 애플리케이션의 성능 최적화 및 사용자 경험 향상을 위해 멀티스레딩과 동시성 프로그래밍은 필수적인 개념이 되었다. 특히, 시스템 리소스를 효율적으로 활용하고, 높은 처리량(Throughput)을 유지하며, 응답 시간을 단축하기 위해 이 두 가지 개념을 이해하고 적절히 활용하는 것이 중요하다. 본 글에서는 멀티스레딩과 동시성의 개념, 관련 용어, 그리고 실무 적용 사례를 중심으로 심층적으로 다루어 보겠다.

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1. 멀티스레딩 (Multithreading)

1.1 멀티스레딩이란?

멀티스레딩은 하나의 프로세스 내에서 여러 개의 스레드를 생성하여 병렬적으로 작업을 수행하는 기술이다. 각 스레드는 독립적인 실행 경로를 가지며, 동일한 메모리 공간을 공유한다. 이를 통해 CPU 활용률을 극대화하고, 여러 작업을 동시에 처리할 수 있다.

1.2 멀티스레딩의 핵심 개념

• 스레드(Thread): 프로세스 내에서 실행되는 독립적인 작업 단위.
• 컨텍스트 스위칭(Context Switching): CPU가 여러 스레드를 번갈아가며 실행하기 위해 문맥 정보를 저장하고 복구하는 과정.
• 스레드 풀(Thread Pool): 재사용 가능한 스레드의 집합으로, 스레드 생성 비용을 줄이고 효율성을 향상시킨다.
• Race Condition: 여러 스레드가 동일한 자원에 동시 접근할 때 발생하는 문제로, 의도하지 않은 결과를 초래할 수 있다.
• Deadlock: 두 개 이상의 스레드가 서로의 자원을 점유한 채 대기 상태에 빠지는 문제.

1.3 자바에서의 멀티스레딩 구현

자바에서는 Thread 클래스와 Runnable 인터페이스를 사용하여 멀티스레드를 구현할 수 있다. 또한, ExecutorService와 같은 고수준의 동시성 API를 제공하여 보다 간편하게 스레드 관리를 할 수 있다.

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Thread is running...");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start();
    }
}

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2. 동시성 프로그래밍 (Concurrency)

2.1 동시성의 정의

동시성 프로그래밍은 여러 작업이 겹치는 시간 동안 동시에 실행되는 것처럼 보이게 하는 기술이다. 멀티스레딩이 동시성을 구현하는 한 가지 방법이지만, 동시성은 반드시 멀티스레딩을 요구하지는 않는다. 예를 들어, 이벤트 기반 프로그래밍이나 비동기 I/O도 동시성을 달성할 수 있는 방법이다.

2.2 동시성과 병렬성의 차이

• 동시성(Concurrency): 여러 작업이 서로 겹치는 시간 동안 진행되는 것. CPU 코어 수와 관계없이 구현할 수 있다.
• 병렬성(Parallelism): 여러 작업이 실제로 동시에 실행되는 것. CPU의 멀티코어 아키텍처를 활용하여 실현된다.

2.3 자바의 동시성 API

자바는 동시성 프로그래밍을 지원하기 위해 java.util.concurrent 패키지를 제공한다. 이 패키지에는 스레드 풀, 락, 동기화 큐 등 다양한 동시성 도구들이 포함되어 있다.

• Executor Framework: 스레드 풀을 관리하고, 작업을 효율적으로 할당하기 위한 API.
• ReentrantLock: 보다 세밀한 제어가 가능한 락 메커니즘으로, synchronized 키워드의 대안으로 사용된다.
• CountDownLatch: 여러 스레드가 특정 작업이 완료될 때까지 대기하게 할 수 있는 동기화 보조 도구.
• Future: 비동기 작업의 결과를 나타내는 객체로, 결과가 준비될 때까지 기다리거나 타임아웃을 설정할 수 있다.

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
executor.execute(() -> System.out.println("Task 1"));
executor.execute(() -> System.out.println("Task 2"));
executor.shutdown();

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3. 경험

3.1 비동기 처리

멀티스레딩과 동시성은 I/O 작업이 많은 애플리케이션에서 중요한 역할을 한다. 비동기 처리를 통해 블로킹 시간을 줄이고, 시스템의 응답성을 높일 수 있다.

예시: 대용량 데이터 처리 시 비동기 I/O를 사용하여 읽기와 쓰기 작업을 병렬로 처리함으로써 성능을 향상시킨다.

3.2 트랜잭션 관리

멀티스레딩 환경에서는 동일한 리소스에 대한 접근이 빈번하게 발생하므로, 트랜잭션 관리가 중요하다. 동기화 메커니즘을 통해 데이터 무결성을 보장할 수 있다.

3.3 병렬 데이터 처리

멀티코어 CPU의 성능을 극대화하기 위해 병렬 스트림(Parallel Stream)을 활용하여 대용량 데이터를 처리할 수 있다.

List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
numbers.parallelStream().forEach(System.out::println);

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4. 결론

멀티스레딩과 동시성 프로그래밍은 고성능 애플리케이션 개발의 핵심 요소이다. 자바에서 제공하는 다양한 동시성 API와 멀티스레딩 기법을 적절히 활용하면 시스템의 처리 속도를 높이고, 사용자 경험을 향상시킬 수 있다. 그러나, 동기화 문제, 데드락, 레이스 컨디션 등의 위험 요소를 충분히 이해하고 관리하는 것이 중요하다. 실무에서는 비동기 처리, 트랜잭션 관리, 병렬 데이터 처리 등의 사례를 통해 이러한 개념들을 효과적으로 적용할 수 있다.